KR102282603B1 - 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 이를 포함하는 수질 정화용 시스템 - Google Patents
환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 이를 포함하는 수질 정화용 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102282603B1 KR102282603B1 KR1020190115770A KR20190115770A KR102282603B1 KR 102282603 B1 KR102282603 B1 KR 102282603B1 KR 1020190115770 A KR1020190115770 A KR 1020190115770A KR 20190115770 A KR20190115770 A KR 20190115770A KR 102282603 B1 KR102282603 B1 KR 102282603B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- filter
- graphene oxide
- water
- water purification
- reduced graphene
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 336
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 291
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 241
- 238000000746 purification Methods 0.000 title claims abstract description 166
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 55
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 38
- 239000000976 ink Substances 0.000 claims description 23
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 22
- NWUYHJFMYQTDRP-UHFFFAOYSA-N 1,2-bis(ethenyl)benzene;1-ethenyl-2-ethylbenzene;styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1.CCC1=CC=CC=C1C=C.C=CC1=CC=CC=C1C=C NWUYHJFMYQTDRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 claims description 21
- 239000003456 ion exchange resin Substances 0.000 claims description 16
- 229920003303 ion-exchange polymer Polymers 0.000 claims description 16
- 239000000975 dye Substances 0.000 claims description 11
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 10
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 claims description 4
- 125000003700 epoxy group Chemical group 0.000 claims description 4
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 claims description 4
- 125000000468 ketone group Chemical group 0.000 claims description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 140
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 27
- 239000008399 tap water Substances 0.000 description 18
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 description 18
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 14
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 12
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 12
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 12
- 238000004043 dyeing Methods 0.000 description 9
- -1 gravel Chemical compound 0.000 description 9
- 239000011882 ultra-fine particle Substances 0.000 description 9
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 8
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 7
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 7
- 238000005502 peroxidation Methods 0.000 description 7
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 7
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 7
- 239000003729 cation exchange resin Substances 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 5
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 5
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 5
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 5
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 4
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 4
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 4
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 3
- 241000588724 Escherichia coli Species 0.000 description 3
- XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N ammonia nh3 Chemical compound N.N XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 3
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000009965 odorless effect Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 241000195628 Chlorophyta Species 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003242 anti bacterial agent Substances 0.000 description 1
- 230000000844 anti-bacterial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 1
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000010828 elution Methods 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000013642 negative control Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 239000000123 paper Substances 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 230000002250 progressing effect Effects 0.000 description 1
- 239000008213 purified water Substances 0.000 description 1
- 238000012372 quality testing Methods 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
- B01D39/14—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
- B01D39/20—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of inorganic material, e.g. asbestos paper, metallic filtering material of non-woven wires
- B01D39/2055—Carbonaceous material
-
- B01D23/16—
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D24/00—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D24/00—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof
- B01D24/02—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof with the filter bed stationary during the filtration
- B01D24/10—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof with the filter bed stationary during the filtration the filtering material being held in a closed container
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D35/00—Filtering devices having features not specifically covered by groups B01D24/00 - B01D33/00, or for applications not specifically covered by groups B01D24/00 - B01D33/00; Auxiliary devices for filtration; Filter housing constructions
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/001—Processes for the treatment of water whereby the filtration technique is of importance
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/28—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption
- C02F1/281—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption using inorganic sorbents
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/28—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption
- C02F1/283—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption using coal, charred products, or inorganic mixtures containing them
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Geology (AREA)
- Water Treatment By Sorption (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Filtering Materials (AREA)
Abstract
환원된 산화 그래핀(rGO: reduced graphene oxide) 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 상기 수질 정화용 필터를 포함하는 수질 정화용 시스템에 관한 것이다.
Description
본원은, 환원된 산화 그래핀(rGO: reduced graphene oxide) 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 상기 수질 정화용 필터를 포함하는 수질 정화용 시스템에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 원수는, 대부분 강 또는 하천으로부터 얻어진다. 얻어진 원수는 침전, 약품, 및 소독 등의 단계를 거쳐서 각종 이물질, 불순물을 걸러내어 깨끗한 물로 정수되어 가정 또는 산업으로 제공된다. 상기 원수의 정수를 위해, 정수장에서는 응집, 침전, 약품 처리 단계 등을 위한 높은 설치 비용과 넓은 부지가 요구되며, 그에 따라 설치비의 제약이 따른다. 오염된 원수는 정수장을 거치며, 추가로 일반 가정용 정수기 물을 거쳐서 비로소 우리가 음용할 수 있는 물로 되돌아온다.
최근, 산업의 발달로 인한 산업 폐기물, 생활 오수로 인해 호수, 강, 하천 등의 자연수가 더욱 더 오염되고 있다. 물의 오염이 심각해짐에 따라, 정수 처리 없이는 원수를 사용하지 못할 뿐만 아니라, 가정에서 가정용 정수기를 추가하여 수돗물을 한번 더 정수하여 마시는 것이 일반화되어 있다.
그러나, 깨끗한 물을 마시기 위해 추가로 정수기를 사용함에도 불구하고, 정수가 잘되지 않을 뿐만 아니라 중금속이 검출되는 등 정수기에 대한 신뢰가 낮아지고 있다. 따라서, 초미세입자, 중금속 등을 거를 수 있는, 우수한 여과 능력을 가지며 정수 단계를 줄일 수 있는 새로운 정수 필터의 개발이 시급하다.
한편, 탄소 단원자층을 포함하는 그래핀(graphene)의 기술 개발은 물론 그래핀을 응용하는 기술 개발 역시 급속히 진행되고 있다.
그래핀은 탄소 원자들이 한층으로 형성된 단원자층을 포함하며, 그래핀의 도전성은 구리에 비하여 매우 우수하고, 그래핀의 전자 이동성은 실리콘(silicon)에 비하여 빠르며, 그래핀은 강철에 비하여 매우 높은 강도를 갖는 다양한 장점들을 갖는 신소재이다. 그래핀은 초고속 반도체, 투명 전극을 활용한 플랙시블 디스플레이, 컴퓨터의 부품, 고효율 태양전지 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 종래 반도체, 디스플레이, 컴퓨터 부품 및 태양 전지 등에 사용되는 그래핀은, 그래핀에 홀(through hole) 등과 같은 결함이 형성되지 않도록 하는 기술 방향으로 기술 개발이 진행되고 있다.
대한민국 등록특허 제1675750호는, 은 항균제의 용출이 제어된 항균 활성탄 필터의 제조 방법에 대해 개시하고 있다.
본원은, 환원된 산화 그래핀(rGO: reduced graphene oxide) 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 상기 수질 정화용 필터를 포함하는 수질 정화용 시스템을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 환원된 산화 그래핀(rGO: reduced graphene oxide) 층을 포함하는, 수질 정화용 필터를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 유입구와 유출구가 구비되는 필터 하우징; 및 상기 필터 하우징 내에 구비되어, 상기 유입구를 통해 유입된 물을 정화하여 상기 유출구로 공급하는 필터부를 포함하는, 수질 정화용 시스템으로서, 상기 필터부는 본원의 제 1 측면에 따른 수질 정화용 필터를 포함하는 것인, 수질 정화용 시스템을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 내구성이 뛰어나고 비표면적이 우수한 환원된 산화 그래핀(rGO)을 이용하여, 음용이 불가능한 물에 포함된 미세입자, 염료, 또는 잉크 등을 흡착 제거함으로써 마실 수 있는 깨끗한 물로 정수할 수 있는 신규한 수질 정화용 필터를 제조할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따른 수질 정화용 필터는, 활성탄, 자갈, 모래, 또는 이온 교환 수지를 통해 내부로 유입된 물의 오염 물질을 제거할 수 있으며, 환원된 산화 그래핀 층을 통하여 상기 활성탄, 자갈, 모래 또는 이온 교환 수지가 제거하지 못한 아주 미세한 입자의 오염물질, 특히 잉크 또는 염료 등에 흡착된 초미세입자까지도 흡착 및 제거할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따른 수질 정화용 필터를 통하여, 유입된 물에 포함된 유기성 물질이 상기 환원된 산화 그래핀 제조 시 과산화로 인하여 그래핀의 가장자리 및 내부에 형성된 산소-함유 기능기에 의하여 흡착되어 제거되고, 상기 유입된 물에 포함된 불순물이 상기 환원된 산화 그래핀 제조 시 과산화로 인하여 상기 그래핀의 내부에 형성된 핀홀 사이에 끼어 제거될 수 있으며, 뿐만 아니라 그래핀의 시트와 시트 사이에 불순물이 끼어 제거되고, 또한 그래핀의 나노기공에 마이크로 사이즈 및 나노 사이즈의 초미세 불순물이 걸러져 제거될 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 나타내는 모식도이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 환원된 산화 그래핀 층의 구조를 나타낸 모식도이다(녹색: 오염물질).
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 환원된 산화 그래핀 층의 주사전자현미경(scanning electron microscope) 사진이다[Supra 40, Carl Zeiss (Swiss) 사용].
도 4의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) 산화 그래핀(GO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터 및 환원된 산화 그래핀(rGO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터의 이미지, 및 (b) 상기 환원된 산화 그래핀(rGO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터 및 산화 그래핀(GO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 물의 이미지이다.
도 5의 (a) 내지 (c)는, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) 환원된 산화 그래핀 층만을 포함하는 수질 정화용 필터, (b) 및 (c) 환원된 산화 그래핀 층 및 자갈 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 나타낸 것이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 나타낸 것이다.
도 7은, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터(비교예), 및, (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 나타낸 것이다.
도 8은, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 물(비교예), 및 (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 흙탕물을 나타낸 것이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 있어서, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 콜라(비교예), 및 (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 콜라를 나타낸 것이다.
도 10은, 본원의 일 실시예에 있어서, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 물(비교예), 및 (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된, 오염된 낙동강 물을 나타낸 것이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 물(비교예), 및 (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 잉크 물을 나타낸 것이다.
도 12의 (a) 및 (b)는, 비교예로서 A 사의 수질 정화용 필터를 통해 여과된 흙탕물(a) 및 잉크 물(b)을 나타낸 것이다.
도 13의 (a) 내지 (c)는, 비교예로서 B 사의 수질 정화용 필터를 통해 여과된 흙탕물(a), 콜라(b), 및 잉크 물(b)을 나타낸 것이다.
도 14의 (a) 내지 (c)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 베트남 수돗물(a), 베트남 서호 물(b), 및 베트남 홍강 물(c) 각각을 나타낸 것이다.
도 15는, 본원의 일 실시예에 있어서, 여과 전 베트남 수돗물(M1), 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 베트남 수돗물(M2), 여과된 베트남 서호 물(M3), 및 여과된 베트남 홍강 물(M4) 각각을 나타낸 것이다.
도 16은, 본원의 일 실시예에 있어서, 수돗물(대조군), 및 환원된 산화 그래핀 층 및 활성탄을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 염색 폐수(5 L)를 나타낸 것이다.
도 17은, 본원의 일 실시예에 있어서, 수돗물(대조군), 환원된 산화 그래핀 층, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 염색 폐수(5 L)를 나타낸 것이다.
도 18은, 본원의 일 실시예에 있어서, 염색 폐수(음성 대조군), 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 염색 폐수, 및 활성탄을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 염색 폐수를 나타낸 것이다.
도 19는, 본원의 일 실시예에 있어서, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 1 차 필터(좌측) 및 2 차 필터(우측)을 나타낸 것이다.
도 20의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 1 차 필터(a) 및 2 차 필터(b)를 통해 여과된 폐수를 부피별로 나타낸 것이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 환원된 산화 그래핀 층의 구조를 나타낸 모식도이다(녹색: 오염물질).
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 환원된 산화 그래핀 층의 주사전자현미경(scanning electron microscope) 사진이다[Supra 40, Carl Zeiss (Swiss) 사용].
도 4의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) 산화 그래핀(GO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터 및 환원된 산화 그래핀(rGO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터의 이미지, 및 (b) 상기 환원된 산화 그래핀(rGO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터 및 산화 그래핀(GO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 물의 이미지이다.
도 5의 (a) 내지 (c)는, 본원의 일 실시예에 있어서, (a) 환원된 산화 그래핀 층만을 포함하는 수질 정화용 필터, (b) 및 (c) 환원된 산화 그래핀 층 및 자갈 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 나타낸 것이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 나타낸 것이다.
도 7은, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터(비교예), 및, (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 나타낸 것이다.
도 8은, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 물(비교예), 및 (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 흙탕물을 나타낸 것이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 있어서, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 콜라(비교예), 및 (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 콜라를 나타낸 것이다.
도 10은, 본원의 일 실시예에 있어서, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 물(비교예), 및 (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된, 오염된 낙동강 물을 나타낸 것이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 물(비교예), 및 (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 잉크 물을 나타낸 것이다.
도 12의 (a) 및 (b)는, 비교예로서 A 사의 수질 정화용 필터를 통해 여과된 흙탕물(a) 및 잉크 물(b)을 나타낸 것이다.
도 13의 (a) 내지 (c)는, 비교예로서 B 사의 수질 정화용 필터를 통해 여과된 흙탕물(a), 콜라(b), 및 잉크 물(b)을 나타낸 것이다.
도 14의 (a) 내지 (c)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 베트남 수돗물(a), 베트남 서호 물(b), 및 베트남 홍강 물(c) 각각을 나타낸 것이다.
도 15는, 본원의 일 실시예에 있어서, 여과 전 베트남 수돗물(M1), 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 베트남 수돗물(M2), 여과된 베트남 서호 물(M3), 및 여과된 베트남 홍강 물(M4) 각각을 나타낸 것이다.
도 16은, 본원의 일 실시예에 있어서, 수돗물(대조군), 및 환원된 산화 그래핀 층 및 활성탄을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 염색 폐수(5 L)를 나타낸 것이다.
도 17은, 본원의 일 실시예에 있어서, 수돗물(대조군), 환원된 산화 그래핀 층, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 염색 폐수(5 L)를 나타낸 것이다.
도 18은, 본원의 일 실시예에 있어서, 염색 폐수(음성 대조군), 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 염색 폐수, 및 활성탄을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 염색 폐수를 나타낸 것이다.
도 19는, 본원의 일 실시예에 있어서, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 1 차 필터(좌측) 및 2 차 필터(우측)을 나타낸 것이다.
도 20의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 1 차 필터(a) 및 2 차 필터(b)를 통해 여과된 폐수를 부피별로 나타낸 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀(graphene)"이라는 용어는 복수개의 탄소 원자들이 서로 공유 결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성한 것을 의미하는 것으로서, 상기 공유 결합으로 연결된 탄소 원자들은 기본 반복 단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서, 상기 그래핀이 형성하는 시트는 서로 공유 결합된 탄소 원자들의 단일층으로서 보일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀이 형성하는 시트는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5 원환 및/또는 7 원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 그래핀이 형성하는 시트가 단일층으로 이루어진 경우, 이들이 서로 적층되어 복수층을 형성할 수 있으며, 상기 그래핀 시트의 측면 말단부는 수소 원자로 포화될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀 옥사이드(graphene oxide)"이라는 용어는 그래핀 산화물이라고도 불리우고, "GO"로 약칭될 수 있다. 단일층 그래핀 상에 카르복실기, 히드록시기, 또는 에폭시기 등의 산소를 함유하는 작용기가 결합된 구조를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원 명세서 전체에서, "환원된 그래핀 산화물" 또는 "환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)"이라는 용어는 환원 과정을 거쳐 산소 비율이 줄어든 그래핀 산화물을 의미하는 것으로서, "rGO"로 약칭될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 환원된 산화 그래핀(rGO: reduced graphene oxide) 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층은 한 개 이상의 환원된 산화 그래핀(rGO) 시트를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층은 다공성을 가지는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 미세입자, 염료, 또는 잉크를 포함하고 있는 정화하고자 하는 물(오염수)가 상기 수질 정화용 필터에 의해 필터링되는 것일 수 있다. 상기 수질 정화용 필터는 상기 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 것으로, 상기 환원된 산화 그래핀이 물에 뜨는 것을 방지하고, 필터의 수명을 늘려 효율적으로 사용하기 위한 목적으로 상기 환원된 산화 그래핀 층 위에 여과층을 추가 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층에 포함된 환원된 산화 그래핀 시트 각각은 산소-함유 기능기 및/또는 핀홀(pin hole)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀은 흑연(graphite)을 과산화시켜 산화 그래핀을 수득하고, 상기 수득된 산화 그래핀을 환원시켜 환원된 산화 그래핀을 수득함으로써 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 흑연이 과산화되는 과정에서, 그래핀의 가장자리 및 그래핀 내부에 산소-함유 기능기가 생성되고, 결함이 발생하여 핀홀이 생성됨으로써 최종 수득되는 상기 환원된 산화 그래핀 시트 각각이 산소-함유 기능기 및/또는 핀홀을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산소-함유 기능기는 히드록시기(hydroxyl group), 에폭시기(epoxy group), 카르복시기(carboxyl group), 케톤기(ketone group), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층에 의해 정화하고자 하는 물에 포함된 직경 약 10 μm 미만의 미세입자가 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀이 갖는 높은 비표면적 및 다공성으로 인하여, 물에 포함된 오염물질이 흡착될 수 있으며, 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 산소-함유 기능기에 의하여 유기성 물질이 흡착될 수 있고, 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 핀홀 사이로 불순물이 끼어들어감으로써 제거될 수 있으며, 상기 환원된 산화 그래핀의 시트와 시트 사이에 불순물이 끼어들어감으로써 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층의 기공(pore)의 크기는 약 1 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀 층의 기공은 시트와 시트 사이의 빈 공간(void)과 핀홀을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 기공의 크기는 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 15 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 20 nm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
도 1을 통해, 본원의 일 구현예에 따른 수질 정화용 필터에 대해 상세히 설명할 수 있다. 먼저, 오염된 물이 상기 수질 정화용 필터를 통하게 되면, 상기 환원된 산화 그래핀 층의 나노기공에 마이크로 및 나노 사이즈의 미세입자 또는 초미세입자가 여과되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 오염된 물은 상기 수질 정화용 필터의 여과층에서 자갈을 통해 큰 입자의 불순물이 제거되고, 활성탄에 의해 중간 사이즈의 불순물과, 중금속 및/또는 박테리아가 제거되고, 모래를 통해 작은 입자가 제거되며, 상기 여과층을 통해 제거되지 못한 약 10 nm 내지 약 100 nm의 초미세입자는 상기 환원된 산화 그래핀 층의 산소-함유 기능기, 핀홀, 나노기공, 및 상기 환원된 산화 그래핀 시트들 사이의 빈 공간(void)에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀의 시트들 사이의 빈 공간의 간격은 약 1 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀의 시트들 사이의 빈 공간에 불순물이 끼어 제거되는 것일 수 있으며, 그 간격은 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 15 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 시트에 형성된 상기 핀홀의 크기는 약 0.1 nm 내지 약 10 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 핀홀 사이로 불순물이 끼어 제거되는 것일 수 있으며, 상기 핀홀의 크기는 약 0.1 nm 내지 약 10 nm, 약 0.1 nm 내지 약 5 nm, 약 0.1 nm 내지 약 1 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 또는 약 5 nm 내지 약 10 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층에 의하여 종래 음수용 정수 필터에서 제거하지 못한 잉크 또는 염료 등을 제거할 수 있다. 상기 잉크 또는 염료는 약 10 nm 내지 약 100 nm 범위의 입자를 포함하는 것으로, 상기 환원된 산화 그래핀 시트에 포함된 산소-함유 기능기, 핀홀, 및 나노 사이즈의 기공을 통해 상기 잉크 또는 염료에 포함된 입자가 흡착되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층은 상기 필터 전체 100 중량부에 대하여 약 0.1 내지 약 10 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀 층은 상기 필터 전체 중량부에 대하여 약 0.1 내지 약 10 중량부, 약 0.1 내지 약 8 중량부, 약 0.1 내지 약 6 중량부, 약 0.1 내지 약 4 중량부, 약 0.1 내지 약 2 중량부, 약 0.1 내지 약 1 중량부, 약 1 내지 약 10 중량부, 약 1 내지 약 8 중량부, 약 1 내지 약 6 중량부, 약 1 내지 약 4 중량부, 약 1 내지 약 2 중량부, 약 2 내지 약 10 중량부, 약 2 내지 약 8 중량부, 약 2 내지 약 6 중량부, 약 2 내지 약 4 중량부, 약 4 내지 약 10 중량부, 약 4 내지 약 8 중량부, 약 4 내지 약 6 중량부, 약 6 내지 약 10 중량부, 약 6 내지 약 8 중량부, 또는 약 8 내지 약 10 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수질 정화용 필터는 상기 환원된 산화 그래핀 층 위에 배치된 여과층을 추가 포함하는 것일 수 있으며, 상기 여과층은 모래, 자갈, 숯, 활성탄, 이온 교환 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 여과층은 상기 환원된 산화 그래핀 층 위에 배치되는 것일 수 있으며, 모래, 자갈, 및 활성탄을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이온 교환 수지는 공지된 수지들을 특별한 제한 없이 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 이온 교환 수지는 양이온 교환 수지 또는 혼합 교환 수지를 포함할 수 있으며, 상기 양이온 교환 수지는, 불순물에 포함된 양이온, 예를 들어, Ca2 +, Mg2 +, Na+, 또는 K+ 등이 상기 양이온 교환 수지에 의해 H+ 이온과 교환되어 제거되고, 불순물이 수지에 흡착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합 이온 교환 수지는, 예를 들어, Ca2 +, Mg2 +, Na+, 또는 K+ 등과 같은 불순물에 포함된 양이온과 함께, SO4 2-, 또는 Cl2 - 등의 음이온이 상기 혼합 이온 교환 수지에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수질 정화용 필터는, 상기 필터 전체 100 중량부에 대해, 자갈 약 20 내지 약 30 중량부, 활성탄 약 20 내지 약 30 중량부, 모래 약 30 내지 약 45 중량부, 및 환원된 산화 그래핀 층 약 1 내지 약 10 중량부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 유입구와 유출구가 구비되는 필터 하우징; 및 상기 필터 하우징 내에 구비되어, 상기 유입구를 통해 유입된 물을 정수하여 상기 유출구로 공급하는 필터부를 포함하는, 수질 정화용 시스템으로서, 상기 필터부는 본원의 제 1 측면에 따른 수질 정화용 필터를 포함하는 것인, 수질 정화용 시스템을 제공한다.
본원의 제 2 측면에 따른 수질 정화용 시스템에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수질 정화용 시스템은 유입구와 유출구가 구비되는 필터 하우징; 및 상기 필터 하우징 내에 구비되어, 상기 유입구를 통해 유입된 물을 정수하여 상기 유출구로 공급하는 필터부를 포함하며, 상기 필터부는 환원된 산화 그래핀(rGO: reduced graphene oxide) 층, 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 미세입자, 염료, 또는 잉크를 포함하고 있는 정화하고자 하는 물(오염수)가 상기 수질 정화용 필터에 의해 필터링되는 것일 수 있다. 상기 수질 정화용필터는 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 것으로, 상기 환원된 산화 그래핀이 물에 뜨는 것을 방지하고, 필터의 수명을 늘려 효율적으로 사용하기 위한 목적으로 상기 환원된 산화 그래핀 층 위에 여과층을 추가 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층은 한 개 이상의 환원된 산화 그래핀(rGO) 시트를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층에 포함된 환원된 산화 그래핀 시트 각각은 산소-함유 기능기 및/또는 핀홀(pin hole)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀은 흑연(graphite)을 과산화시켜 산화 그래핀을 수득하고, 상기 수득된 산화 그래핀을 환원시켜 환원된 산화 그래핀을 수득함으로써 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 흑연이 과산화되는 과정에서, 그래핀의 가장자리 및 그래핀 내부에 산소-함유 기능기가 생성되고, 결함이 발생하여 핀홀이 생성됨으로써 최종 수득되는 상기 환원된 산화 그래핀 시트 각각이 산소-함유 기능기 및/또는 핀홀을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층에 의해 직경 약 10 μm 미만의 미세입자가 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀이 갖는 높은 비표면적 및 다공성으로 인하여, 물에 포함된 오염물질이 흡착될 수 있으며, 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 산소-함유 기능기에 의하여 유기성 물질이 흡착될 수 있고, 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 핀홀 사이로 불순물이 끼어들어감으로써 제거될 수 있으며, 상기 환원된 산화 그래핀의 시트와 시트 사이에 불순물이 끼어들어감으로써 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산소-함유 기능기는 히드록시기(hydroxyl group), 에폭시기(epoxy group), 카르복시기(carboxyl group), 케톤기(ketone group), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층의 기공(pore)의 크기는 약 1 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀 층의 기공은 시트와 시트 사이의 빈 공간(void)과 핀홀을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 기공의 크기는 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 15 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 20 nm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 오염된 물이 상기 수질 정화용 필터를 통하게 되면, 상기 환원된 산화 그래핀 층의 나노기공에 마이크로 및 나노 사이즈의 미세입자 또는 초미세입자가 여과되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 오염된 물은 상기 수질 정화용 필터의 여과층에서 자갈을 통해 큰 입자가 제거되고, 활성탄에 의해 중간 사이즈의 불순물과, 중금속 및/또는 박테리아가 제거되고, 모래를 통해 작은 입자가 제거되며, 상기 여과층을 통해 제거되지 못한 약 10 nm 내지 약 100 nm의 초미세입자는 상기 환원된 산화 그래핀 층의 산소-함유 기능기, 핀홀, 나노기공, 및 상기 환원된 산화 그래핀 시트들 사이의 빈 공간(void)에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀의 시트들 사이의 빈 공간(void)의 간격은 약 1 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀의 시트들 사이의 빈 공간에 불순물이 끼어 제거되는 것일 수 있으며, 그 간격은 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 15 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 시트에 형성된 상기 핀홀의 크기는 약 0.1 nm 내지 약 10 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 핀홀 사이로 불순물이 끼어 제거되는 것일 수 있으며, 상기 핀홀의 크기는 약 0.1 nm 내지 약 10 nm, 약 0.1 nm 내지 약 5 nm, 약 0.1 nm 내지 약 1 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 또는 약 5 nm 내지 약 10 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층에 의하여 종래 음수용 정수 필터에서 제거하지 못한 잉크 또는 염료 등을 제거할 수 있다. 상기 잉크 또는 염료는 약 10 nm 내지 약 100 nm 범위의 입자를 포함하는 것으로, 상기 환원된 산화 그래핀 시트에 포함된 산소-함유 기능기, 핀홀, 및 나노 사이즈의 기공을 통해 상기 잉크 또는 염료에 포함된 입자가 흡착되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층은 상기 필터 전체 100 중량부에 대하여 약 0.1 내지 약 10 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀 층은 상기 필터 전체 중량부에 대하여 약 0.1 내지 약 10 중량부, 약 0.1 내지 약 8 중량부, 약 0.1 내지 약 6 중량부, 약 0.1 내지 약 4 중량부, 약 0.1 내지 약 2 중량부, 약 0.1 내지 약 1 중량부, 약 1 내지 약 10 중량부, 약 1 내지 약 8 중량부, 약 1 내지 약 6 중량부, 약 1 내지 약 4 중량부, 약 1 내지 약 2 중량부, 약 2 내지 약 10 중량부, 약 2 내지 약 8 중량부, 약 2 내지 약 6 중량부, 약 2 내지 약 4 중량부, 약 4 내지 약 10 중량부, 약 4 내지 약 8 중량부, 약 4 내지 약 6 중량부, 약 6 내지 약 10 중량부, 약 6 내지 약 8 중량부, 또는 약 8 내지 약 10 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 여과층은 모래, 자갈, 숯, 활성탄, 이온 교환 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 여과층은 상기 환원된 산화 그래핀 층 위에 배치되는 것일 수 있으며, 모래, 자갈, 및 활성탄을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이온 교환 수지는 공지된 수지들을 특별한 제한 없이 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 이온 교환 수지는 양이온 교환 수지 또는 혼합 교환 수지를 포함할 수 있으며, 상기 양이온 교환 수지는, 불순물에 포함된 양이온, 예를 들어, Ca2 +, Mg2 +, Na+, 또는 K+ 등이 상기 양이온 교환 수지에 의해 H+ 이온과 교환되어 제거되고, 불순물이 수지에 흡착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합 이온 교환 수지는, 예를 들어, Ca2 +, Mg2 +, Na+, 또는 K+ 등과 같은 불순물에 포함된 양이온과 함께, SO4 2-, 또는 Cl2 - 등의 음이온이 상기 혼합 이온 교환 수지에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수질 정화용 필터는, 필터 전체 100 중량부에 대해, 자갈 약 20 내지 약 30 중량부, 활성탄 약 20 내지 약 30 중량부, 모래 약 30 내지 약 45 중량부, 및 환원된 산화 그래핀 층 약 1 내지 약 10 중량부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 본원의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것 일뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[
실시예
]
그래핀의
정수 능력 시험
그래핀이 정화용 필터에 적용 가능한 재료인지를 확인하기 위하여, 산화 그래핀 층만을 포함하는 수질 정화용 필터 및 환원된 산화 그래핀(rGO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터를 각각 제조하였다. 상기 수질 정화용 필터에 사용된 그래핀은, 흑연을 과산화하여 산화 그래핀(GO)을 수득하고, 수득된 산화 그래핀을 환원시켜 환원된 산화 그래핀(rGO)을 수득하였다. 상기 흑연의 과산화는, 흑연을 산화할 때 종래 산화 그래핀 제조 시보다 반응 시간을 길게하거나, 또는 반응 온도를 높여 산화를 많이 시킴으로써 수행되었다. 상기 과산화에 의하여 형성된 환원된 산화 그래핀 시트들의 가장자리에 산소-함유 기능기들이 많이 형성되게 된다. 동일한 부피의 경우 산화 그래핀과 환원된 산화 그래핀 사이에 무게 차이가 존재하므로, 산화 그래핀 층만을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우 산화 그래핀 20 g을 사용하였으며, 동일한 부피에서 환원된 산화 그래핀 층만을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우 환원된 산화 그래핀 5 g을 사용하였다. 도 4의 (a)는 각각 수질 정화용 필터를 플라스크에 담은 뒤 잉크를 희석시킨 물을 공급하여 정수하는 과정으로, 좌측은 환원된 산화 그래핀(rGO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터, 우측은 산화 그래핀(GO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터를 나타낸다. 잉크를 희석시킨 물은 각각 100 mL씩 공급되었으며, 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이, 산화 그래핀 층만을 포함하는 수질 정화용 필터와 환원된 산화 그래핀 층만을 포함하는 수질 정화용 필터 모두 맑은 물이 통과되어 나옴을 확인할 수 있다. 각각 통과된 물의 pH를 측정하였으며, 환원된 산화 그래핀 층의 경우 통과된 물의 pH는 약 7로 중성을, 산화 그래핀 층의 경우 통과된 물의 pH는 산화 그래핀 자체의 산성으로 인하여 3으로 측정되었다. 상기 실험을 통해, 수질 정화용 필터의 경우 산도로 인하여 산화 그래핀보다는 환원된 산화 그래핀이 적합함을 확인할 수 있다.
흙탕물 정수 능력 시험
환원된 산화 그래핀이 물에 포함된 불순물을 제거할 수 있는 지를 확인하기 위하여, 환원된 산화 그래핀을 포함하는 수질 정화용 필터를 제조하였다. 환원된 산화 그래핀만 사용할 경우, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 물을 부었을 때 환원된 산화 그래핀이 갈라지고 흩어지는 현상이 발생할 수 있으므로, 환원된 산화 그래핀 층과 함께 자갈층을 함께 포함하는 간이 필터를 제조하였다[도 5의 (b)]. 상기 제조된 간이 필터에 흙탕물 125 L를 통과시켜 필터링 한 결과, 맑은 물이 정수되어 나옴을 확인할 수 있었다. 환원된 산화 그래핀은 표면적이 넓은 다공성 물질로서(도 3), 흑연으로부터 과산화를 통해 제조 시 산소-함유 기능기와 핀홀이 상기 화누언된 산화 그래핀 시트의 표면뿐만 아니라 내부에 생성된다. 상기 생성된 산소-함유 기능기가 유기성 물질을 흡착하고, 핀홀 사이로 불순물이 들어감으로써 제거되거나, 또는 그래핀의 시트와 시트 사이에 불순물이 끼어들어감으로써 제거된다. 또한, 그래핀의 나노기공으로 물이 통과함에 따라 마이크로 사이즈 및 나노 사이즈의 초미세 불순물이 걸러지게 된다(도 2 및 도 3).
하기 표 1은, 상기 간이 필터를 통해 여과된 흙탕물의 수질검사 결과를 나타낸 것으로, 정수된 물이 무색무취하며, 염소, 분원성 대장균, 암모니아성 질소를 포함하는 불순물들이 정제된 것을 확인할 수 있다.
환원된 산화
그래핀
층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (1)
상기 실시예에서 제조된 환원된 산화 그래핀을 이용하여, 환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터를 제조하였다. 하부로부터 차례로 환원된 산화 그래핀 층(4 g), 모래(100 g), 활성탄(80 g), 자갈(150 g)의 순으로 적층하였다. 상기 환원된 산화 그래핀의 경우, 가벼워서 물에 들어가면 뜨는 경항이 있기 때문에, 필터의 가장 아래쪽에 종이, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 멤브레인, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 또는 셀룰로오스 재질의 필터를 끼운 뒤 환원된 산화 그래핀을 적층하여 납작한 물건으로 다져 종이 필터와 밀착되게 하였다. 또한, 상기 환원된 산화 그래핀 층과 모래, 모래와 활성탄, 활성탄과 자갈 사이에는 통기도 0.1 내지 1 cc/min의 여과포를 잘라 끼워 서로 섞이지 않도록 하였다(도 6). 상기 수질 정화용 필터에서 사용된 환원된 산화 그래핀은, 그래핀의 면 크기가 1 내지 30 ㎛, 두께가 1 내지 10 nm 인 것을 사용하였으며, 모래의 크기는 0.1 내지 1 mm, 활성탄의 크기는 0.5 내지 10 mm, 자갈의 크기는 1 내지 20 mm 이었다.
상기 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터의 정수 능력을 확인하기 위하여, 비교예로서 환원된 산화 그래핀이 없는 것을 제외하고는 상기와 동일한 방법으로 자갈, 활성탄, 모래만을 포함하는 수질 정화용 필터를 함께 제조하였다(도 7).
환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 포함하지 않는 수질 정화용 필터 각각에 흙탕물을 부어 필터를 통과하면서 여과된 물의 색깔을 확인하였다.
도 8은 각각 (1) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하지 않는 수질 정화용 필터, (2) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 흙탕물을 나타낸 것으로, 정수되지 않은 흙탕물(muddy water)에 비해 그래핀을 포함하지 않는 필터의 경우도 어느 정도의 정수 능력은 나타내었지만, 육안으로도 물의 색이 탁한 것을 확인할 수 있다. 그에 비해, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우 한국 음용수의 색과 같이 투명하고 맑은 것을 확인할 수 있다.
육안으로 확인한 것 외에도, 상기 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터가 어느 정도의 정수 능력을 나타내는 지 확인하기 위해, 수질검사를 진행하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 하기 표 2에 나타낸 것과 같이, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통한 흙탕물의 경우 무색무취하며, 일반 세균, 분원성 대장균, 암모니아성 질소, 잔류 염소 등이 존재하지 않는 것으로, 상기 한국 음용수와 거의 동일한 결과를 나타냄이 확인되었다.
환원된 산화
그래핀
층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (2)
상기 실시예와 동일한 방법으로, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 그래핀을 포함하지 않는 수질 정화용 필터를 제조하고, 상기 필터에 콜라를 부어 필터를 통과하면서 여과된 물의 색깔을 확인하였다.
도 9는 각각 (1) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하지 않는 수질 정화용 필터, (2) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 콜라를 나타낸다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 그래핀을 포함하지 않는 필터의 경우 육안으로도 거의 콜라와 동일한 색상을 나타내는 여과물이 확인되었다. 그에 반해, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우 한국 음용수의 색과 같이 투명하고 맑은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 그래핀을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우, 그래핀에 포함된 미세기공, 핀홀, 및 시트와 시트 사이의 빈 공간(void)에 의하여, 일반 필터로는 제거되지 않는 염료 등의 초미세입자가 제거될 수 있음을 입증한다.
환원된 산화
그래핀
층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (3)
상기 실시예와 동일한 방법으로, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 그래핀을 포함하지 않는 수질 정화용 필터를 제조하여 진공 펌프와 각각 연결하고, 낙동강에서 채취한 오염된 물을 부어 필터를 통과하면서 여과된 낙동강 물의 색깔을 확인하였다.
도 10은 각각 (1) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하지 않는 수질 정화용 필터, (2) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된, 녹조 등으로 오염된 낙동강 물을 나타낸다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 그래핀을 포함하지 않는 필터의 경우 육안으로도 거의 여과 전 오염된 낙동강 물과 동일한 색상을 나타내는 여과물이 확인되었다. 그에 반해, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우 한국 음용수의 색과 같이 투명하고 맑은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 그래핀을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우, 그래핀에 포함된 미세기공, 핀홀, 및 시트와 시트 사이의 빈 공간에 의하여, 일반 필터로는 제거되지 않는 초미세입자가 제거될 수 있음을 입증한다.
환원된 산화
그래핀
층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (4)
상기 실시예와 동일한 방법으로, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 그래핀을 포함하지 않는 수질 정화용 필터를 제조하여 진공 펌프와 각각 연결하고, 잉크가 희석된 물을 부어 필터를 통과하면서 여과된 물의 색깔을 확인하였다.
도 11은 각각 (1) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하지 않는 수질 정화용 필터, (2) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 잉크 물을 나타낸다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 그래핀을 포함하지 않는 필터의 경우 육안으로도 거의 잉크 물과 동일한 색상을 나타내는 여과물이 확인되었다. 그에 반해, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우 일반 수돗물(tap water)의 색과 같이 투명하고 맑은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 그래핀을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우, 그래핀에 포함된 미세기공, 핀홀, 및 시트와 시트 사이의 빈 공간에 의하여, 일반 필터로는 제거되지 않는 잉크 등의 초미세입자가 제거될 수 있음을 입증한다.
비교예
1: 타사 수질 정화용 필터의 정수 능력 시험
본원의 환원된 산화 그래핀 필터의 정수 능력을 확인하기 위하여, 비교예로서 타 A, B사의 수질 정화용 필터를 통해 정수 실험을 진행하였다. 도 12는 타 A 사의 수질 정화용 필터를 분리하여 각각 흙탕물(a)과 잉크물(b)를 부어 여과한 물을 나타낸 것이다. 환원된 산화 그래핀을 포함하지 않는 타 A사의 수질 정화용 필터의 경우, 흙탕물과 잉크물에 대해 이온 제거만 가능할 뿐, 정수 능력이 없음을 확인하였다.
비교예
2: 타사 수질 정화용 필터의 정수 능력 시험
상기 비교예 1과 동일한 방법을 이용하되, 타 B사의 수질 정화용 필터를 이용하여 각각 흙탕물(a), 콜라(b), 및 잉크물(c)를 부어 정수 능력을 실험하였다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 환원된 산화 그래핀을 포함하지 않는 타 B사의 수질 정화용용 필터의 경우, 흙탕물과 잉크물, 콜라를 거의 정수하지 못하는 것을 확인하였다.
환원된 산화
그래핀
층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (5)
환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터의 수질 정화 능력을 확인하기 위하여, 베트남 수돗물, 베트남 하노이에서 가장 큰 호수 중 하나인 서호 호수의 물, 베트남 북부 강 중 하나인 홍강의 물을 각각 수득하였다.
환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터는 하기와 같은 방법으로 제조되었다. 하부로부터 차례로 환원된 산화 그래핀 층(5 g), 모래(100 mL), 활성탄(100 mL), 및 자갈(100 mL)의 순으로 적층하였다. 환원된 산화 그래핀의 경우 가벼워서 물에 들어가면 뜨는 경항이 있기 때문에, 필터의 가장 아래쪽에 종이 필터를 잘라 끼운 뒤 환원된 산화 그래핀을 적층하여 납작한 물건으로 다져 종이 필터와 밀착되게 하였다. 또한, 상기 환원된 산화 그래핀 층과 모래, 모래와 활성탄, 활성탄과 자갈 사이에는 통기도 0.1 내지 1 cc/min의 여과포를 잘라 끼워 서로 섞이지 않도록 하였다.
제조된 수질 정화용 필터를 이용하여, 각각 베트남 수돗물, 서호 물, 및 홍강 물을 여과하여 그 결과물을 확인하였다.
도 14의 (a)는 여과 전의 베트남 수돗물(좌측), 여과 후 베트남 수돗물(우측)을 비교한 것으로, 여과된 베트남 수돗물이 여과 전의 수돗물보다 더 맑아진 것을 육안으로 확인할 수 있다.
도 14의 (b)는 여과 전의 서호 물(좌측), 여과 후 서호 물(우측)을 비교한 것으로, 육안으로도 여과 전의 탁한 서호 물이 필터를 통한 여과 후 눈에 띄게 맑아진 것을 확인할 수 있다.
그와 동일하게, 여과 전의 홍강 물(좌측), 여과 후 홍강 물(우측)을 비교한 도 14의 (c)의 경우에도 여과 전의 탁한 홍강 물이 필터를 통한 여과 후 눈에 띄게 맑아진 것을 확인할 수 있다.
도 15는 좌측부터 각각 여과 전 베트남 수돗물(M1), 여과 후 베트남 수돗물(M2), 여과 후 서호 물(M3), 여과 후 홍강 물(M4)를 한눈에 나타낸 것이다. 육안으로도 필터를 통한 여과 후의 물이 맑아진 것을 확인할 수 있으며, 이를 좀 더 정확하게 확인하기 위하여 각각 수질검사를 진행하였다.
하기 표 3 및 표 4는 각각 여과 전 베트남 수돗물(M1), 여과 후 베트남 수돗물(M2), 여과 후 서호 물(M3), 여과 후 홍강 물(M4)에 대한 수질검사 결과를 나타낸 것으로, 여과 후의 베트남 수돗물, 서호 물, 홍강 물 모두 베트남 보건부 기준에 적합하도록 오염물질이 모두 여과되어, 음용이 가능하게 된 것을 확인할 수 있다.
환원된 산화
그래핀
층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (6)
염색 폐수에 대한 수질 정화용 필터의 정수 능력을 확인하기 위하여, 환원된 산화 그래핀(1 g) 및 활성탄(200 mL)을 포함하는 수질 정화용 필터 2개를 제조하여 염색폐수를 부은 뒤 여과된 물의 색상을 확인하였다(도 16).
각각에 대한 pH와 탁도를 측정하여 하기 표 5에 나타내었다. 도 16 및 표 5에 나타낸 바와 같이, 육안으로 보았을 때 색이 그대로 통과되었음을 확인할 수 있었다.
환원된 산화
그래핀
층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (7)
염색 폐수에 대한 수질 정화용 필터의 정수 능력을 확인하기 위하여, 환원된 산화 그래핀의 양을 3 g으로 늘리고, 활성탄(200 mL)을 포함하는 수질 정화용 필터를 제조하여 상기 실시예에서 사용한 것과 동일한 양의 염색폐수를 부은 뒤 여과된 물의 색상을 확인하였다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 환원된 산화 그래핀 3 g을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우, 활성탄 또는 모래만을 포함하는 수질 정화용 필터(도 18), 및 환원된 산화 그래핀 1 g을 포함하는 수질 정화용 필터에 비해 탁도가 더 낮아졌음을 확인할 수 있다.
환원된 산화
그래핀
층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (8)
필터를 이중으로 사용할 경우의 정수 능력을 확인하기 위하여, 환원된 산화 그래핀(3 g), 활성탄(100 mL), 및 모래(100 mL)를 포함하는 1 차 수질 정화용 필터, 및 동일한 방법으로 2 차 수질 정화용 필터를 제조한 뒤(도 19), 상이한 부피의 폐수를 1 차 필터에 통과시켜 색, pH, 탁도 등을 확인하고, 1 차 필터에 통과시킨 물을 다시 2 차 필터에 통과시켜 다시 한번 색, pH, 탁도 등을 확인하여 하기 표 6, 표 7 및 도 20에 나타냈다.
먼저, 도 20의 (a) 및 표 6에 나타낸 바와 같이, 정수하려는 폐수의 양이 증가할수록 정수 능력이 점차 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 20의 (b) 및 표 7에 나타낸 바와 같이, 1 차 필터만을 통과한 폐수에 비해 1차 필터 후 추가로 2 차 필터를 통과시킨 폐수가 육안으로도 더 맑은 것을 확인할 수 있었으며, 탁도, BOD, COD, SS 등이 수치적으로도 실제 감소하였다. 이는, 본원의 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 실제적으로 적용할 경우, 수질 정화용 필터를 반복하여 정수시킴으로써 정수 능력을 보다 더욱 향상시킬 수 있음을 의미한다.
환원된 산화
그래핀
층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (9)
여과층으로서 이온 교환 수지를 포함할 경우의 정수 능력을 확인하기 위하여, 환원된 산화 그래핀(1 g), 활성탄(200 mL), 및 양이온 수지(10 mL)를 포함하는 수질 정화용 필터를 제조하여 상이한 부피의 흙탕물을 통과시킨 뒤 pH, 탁도, TDS 등을 측정하였다.
하기 표 8 은 상이한 부피의 흙탕물에 대한 정수 결과를 나타낸 것으로, 환원된 그래핀 산화물과 함께 이온 교환 수지를 같이 사용할 경우, pH와 TDS(total dissolved solids)를 조절 가능하다는 것이 확인되었다. 흙탕물의 부피가 증가하더라도 탁도는 여전히 0을 유지하였으며, pH 및 TDS도 자체 기준에서 크게 벗어나지 않는 범위로 잘 정수되었다 (자체 기준: pH 6-8, TDS 60-80 mg, 탁도 0).
표 9는, 100 L의 흙탕물을 상기 환원된 산화 그래핀 층 및 이온 교환 수지층을 포함하는 수질 정화용 필터에 여과한 뒤의 물을 수질검사한 결과이다. 표 9에 나타낸 바와 같이, 100 L의 흙탕물을 여과하였을 경우에도 무색무취하며, 대장균, 염소 이온, 암모니아성질소 등의 오염물질이 기준에 맞게 제거되었음을 확인할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (4)
- 환원된 산화 그래핀(rGO: reduced graphene oxide) 층; 및
상기 환원된 산화 그래핀 층 위에 배치된 여과층
을 포함하는, 수질 정화용 필터로서,
상기 여과층은 모래, 자갈, 숯, 활성탄, 이온 교환 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것이며,
상기 환원된 산화 그래핀 층에 포함된 환원된 산화 그래핀 시트 각각은 산소-함유 기능기 및/또는 핀홀을 포함하는 것이고,
상기 산소-함유 기능기는 히드록시기(hydroxylgroup), 에폭시기(epoxy group), 카르복시기(carboxyl group), 케톤기(ketonegroup), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하며,
상기 환원된 산화 그래핀의 시트들 사이의 빈 공간의 간격은 1 nm 내지 20 nm인 것이고,
물의 유입 방향을 기준으로 상기 여과층 및 상기 환원된 산화 그래핀 층의 순서로 적층되는 것이고,
상기 여과층은 상기 환원된 산화 그래핀 층이 물에 뜨는 것을 방지하는 것이고,
상기 환원된 산화 그래핀 층에 의해 정화하고자 하는 물에 포함된 직경 10 μm 미만의 미세입자, 염료, 또는 잉크가 필터링되어 음용 가능한 물로 정수되는 것인,
수질 정화용 필터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 환원된 산화 그래핀 층은 다공성을 갖는 것인, 수질 정화용 필터.
- 제 2 항에 있어서,
상기 환원된 산화 그래핀 층의 기공(pore)의 크기는 1 nm 내지 20 nm인 것인, 수질 정화용 필터.
- 유입구와 유출구가 구비되는 필터 하우징; 및
상기 필터 하우징 내에 구비되어, 상기 유입구를 통해 유입된 물을 정화하여 상기 유출구로 공급하는 필터부
를 포함하는, 수질 정화용 시스템으로서,
상기 필터부는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 수질 정화용 필터를 포함하는 것인,
수질 정화용 시스템.
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201662413143P | 2016-10-26 | 2016-10-26 | |
| KR1020160140062 | 2016-10-26 | ||
| US62/413,143 | 2016-10-26 | ||
| KR20160140062 | 2016-10-26 | ||
| KR1020170120523A KR20180045793A (ko) | 2016-10-26 | 2017-09-19 | 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 이를 포함하는 수질 정화용 시스템 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170120523A Division KR20180045793A (ko) | 2016-10-26 | 2017-09-19 | 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 이를 포함하는 수질 정화용 시스템 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190110083A KR20190110083A (ko) | 2019-09-27 |
| KR102282603B1 true KR102282603B1 (ko) | 2021-07-29 |
Family
ID=67483166
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190115770A KR102282603B1 (ko) | 2016-10-26 | 2019-09-20 | 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 이를 포함하는 수질 정화용 시스템 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102282603B1 (ko) |
| CN (1) | CN110114126A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102463982B1 (ko) | 2022-04-01 | 2022-11-07 | 주식회사 지오그린21 | 필터지 교체 기능을 갖는 물시료 필터 장치 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110496435A (zh) * | 2019-08-19 | 2019-11-26 | 李齐 | 一种沙膜过滤器 |
Family Cites Families (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2167981Y (zh) * | 1993-10-11 | 1994-06-08 | 尹吉山 | 新型的净水用过滤棒 |
| US5830360A (en) * | 1996-05-02 | 1998-11-03 | Btl Int Llc | Pour through and pitcher mounted water filter for removal of parasite cysts, bacteria and viruses and method of filtrating water |
| CN2419198Y (zh) * | 2000-03-25 | 2001-02-14 | 易会标 | 微型家用净水器 |
| FR2812561A1 (fr) * | 2000-08-07 | 2002-02-08 | Francois Bolzinger | Dispositif mobile, autonome et auto-nettoyant pour filtrer un liquide au moyen de materiaux meubles |
| CN2622165Y (zh) * | 2002-11-02 | 2004-06-30 | 白俊峰 | 麦饭石净化储水器 |
| CN201135803Y (zh) * | 2007-12-10 | 2008-10-22 | 王雪莹 | 一种可以净化水质的净水器 |
| CN201458827U (zh) * | 2009-04-24 | 2010-05-12 | 中灌中心宜昌节水灌溉技术推广基地 | 生物慢滤装置 |
| EP2853516A1 (en) * | 2009-08-13 | 2015-04-01 | Water Harvesting Technologies Pty Ltd | Water filtration system with activated carbon and zeolite |
| CN103025654B (zh) * | 2009-12-29 | 2015-10-14 | 济宁利特纳米技术有限公司 | 配位基团修饰的石墨烯的制备方法和应用 |
| US20130240439A1 (en) * | 2010-09-03 | 2013-09-19 | Indian Institute Of Technology | Reduced graphene oxide-based-composites for the purification of water |
| CA2828361A1 (en) * | 2011-02-25 | 2012-12-13 | William Marsh Rice University | Sorption and separation of various materials by graphene oxides |
| SG194161A1 (en) * | 2011-04-10 | 2013-11-29 | Nanoholdings Llc | Water purification unit |
| US9403112B2 (en) * | 2012-06-12 | 2016-08-02 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Graphene oxide filters and methods of use |
| KR101409278B1 (ko) * | 2012-11-15 | 2014-06-24 | 주식회사 아이디티인터내셔널 | 산화흑연의 제조방법 |
| KR101500692B1 (ko) * | 2013-04-11 | 2015-03-09 | 주식회사 아이디티인터내셔널 | 산화흑연의 제조방법 및 제조장치 |
| CN103240007A (zh) * | 2013-05-13 | 2013-08-14 | 嵇天浩 | 一种制备氧化石墨烯填充微滤复合材料的方法 |
| EP3079798A4 (en) * | 2013-12-10 | 2017-08-16 | University of South Carolina | Ultrathin, graphene-based membranes for water treatment and methods of their formation and use |
| CN105314788B (zh) * | 2014-06-03 | 2020-12-29 | 比奥卡斯特系统公司 | 综合多区废水处理系统和方法 |
| CN204111501U (zh) * | 2014-07-28 | 2015-01-21 | 天津天化工业水处理技术有限责任公司 | 自来水净水器 |
| CN205398304U (zh) * | 2016-02-20 | 2016-07-27 | 广州涞瑞水处理技术有限公司 | 一种公共场所用水处理机 |
| CN205517292U (zh) * | 2016-02-26 | 2016-08-31 | 北京创新爱尚家科技有限公司 | 抑菌型石墨烯过滤膜及过滤装置 |
| CN205398201U (zh) * | 2016-02-26 | 2016-07-27 | 陕西科技大学 | 一种逆向过滤净水装置 |
| CN105565426A (zh) * | 2016-03-10 | 2016-05-11 | 欧兰普电子科技（厦门）有限公司 | 一种滤芯 |
| CN108159889A (zh) * | 2017-12-18 | 2018-06-15 | 江苏大学 | 一种超亲水-超疏油的还原氧化石墨烯滤膜及用途 |
-
2017
- 2017-09-19 CN CN201780079635.7A patent/CN110114126A/zh active Pending
-
2019
- 2019-09-20 KR KR1020190115770A patent/KR102282603B1/ko active IP Right Grant
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102463982B1 (ko) | 2022-04-01 | 2022-11-07 | 주식회사 지오그린21 | 필터지 교체 기능을 갖는 물시료 필터 장치 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110114126A (zh) | 2019-08-09 |
| KR20190110083A (ko) | 2019-09-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ng et al. | Arsenic removal technologies for drinking water treatment | |
| Huang et al. | Pretreatment for low pressure membranes in water treatment: a review | |
| Adin et al. | The role of physical-chemical treatment in wastewater reclamation and reuse | |
| KR102404664B1 (ko) | 수처리용 그래핀 필터 모듈 | |
| Dadari et al. | Crude oil desalter effluent treatment using high flux synthetic nanocomposite NF membrane-optimization by response surface methodology | |
| KR102282603B1 (ko) | 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 이를 포함하는 수질 정화용 시스템 | |
| Chen et al. | Evaluation of enhanced coagulation combined with densadeg-ultrafiltration process in treating secondary effluent: Organic micro-pollutants removal, genotoxicity reduction, and membrane fouling alleviation | |
| Abushawish et al. | Desalination pretreatment technologies: current status and future developments | |
| Priyanka et al. | Hybrid membrane technology: an alternative to industrial wastewater treatment | |
| Kundu et al. | Perspective of membrane processes for the removal of arsenic from water: an overview | |
| Bennani et al. | Wastewater from wood and pulp industry treated by combination of coagulation, adsorption on modified clinoptilolite tuff and membrane processes | |
| KR20180045793A (ko) | 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 이를 포함하는 수질 정화용 시스템 | |
| KR100314714B1 (ko) | 초순수제조방법 | |
| Zainith et al. | Membrane-based hybrid processes in industrial waste effluent treatment | |
| Barman et al. | Membrane processes for removal of polyaromatic hydrocarbons from wastewater | |
| KR102377664B1 (ko) | 수처리 반응기, 및 이를 포함하는 정수 시스템 및 폐수 처리 시스템 | |
| Logsdon et al. | Filtration processes—A distinguished history and a promising future | |
| Kolya et al. | Polymeric Membranes and Hybrid Techniques for Water Purification Applications | |
| Teow et al. | Performance and resilience of the PolyCera® Titan membrane for industrial wastewater treatment | |
| Töre et al. | Developments in membrane bioreactor technologies and evaluation on case study applications for recycle and reuse of miscellaneous wastewaters | |
| Bahrami Nekoo et al. | Nitrate removal from drinking water by PAN ultrafiltration assisted with cationic surfactants: evaluation of effective factors using response surface methodology | |
| Xu et al. | Evaluation of dynamic membrane formation and filtration models at constant pressure in a combined coagulation/dynamic membrane process in treating polluted river water | |
| Nthunya et al. | Emerging nanoenhanced membrane-based hybrid processes for complex industrial wastewater treatment | |
| Hong | Coagulation as pretreatment for improving ultrafiltration performance in water and wastewater treatment | |
| AWWA Staff | Microfiltration and Ultrafiltration Membranes for Drinking Water (M53) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A107 | Divisional application of patent | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right |